高中物理 第3章 打開電磁學(xué)的大門 第2節(jié) 磁場中的運(yùn)動電荷教師用書 魯科版選修1-1

《高中物理 第3章 打開電磁學(xué)的大門 第2節(jié) 磁場中的運(yùn)動電荷教師用書 魯科版選修1-1》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第3章 打開電磁學(xué)的大門 第2節(jié) 磁場中的運(yùn)動電荷教師用書 魯科版選修1-1（11頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

第2節(jié)　磁場中的運(yùn)動電荷 課　標(biāo)　解　讀 重　點(diǎn)　難　點(diǎn) 1.會運(yùn)用左手定則判斷洛倫茲力的方向，會計(jì)算特殊情況下洛倫茲力的大?。? 2.知道電子的發(fā)現(xiàn)． 3.了解極光產(chǎn)生的機(jī)理. 1.洛倫茲力大小計(jì)算，方向判定，方向特點(diǎn)．(重點(diǎn)) 2.左手定則的運(yùn)用．(難點(diǎn)) 洛倫茲力 1.基本知識 (1)定義 磁場對運(yùn)動電荷的作用力． (2)方向 洛倫茲力的方向用左手定則來判斷：伸開左手，使拇指與其余四指垂直，且處于同一平面內(nèi)．讓磁感線垂直穿入手心，四指指向正電荷運(yùn)動的方向(若是負(fù)電荷，則四指指向負(fù)電荷運(yùn)動的反方向)，拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向． (3)大小 ①當(dāng)運(yùn)動方向與磁場垂直時洛倫茲力的大?。篎＝qvB. ②當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動方向與磁場方向互相平行時，F(xiàn)＝0. 2．思考判斷 (1)靜止的帶電粒子在磁場中也要受到洛倫茲力的作用．() (2)帶電粒子只要在磁場中運(yùn)動，就一定會受到洛倫茲力．() 3．探究交流 怎樣判斷負(fù)電荷在磁場中運(yùn)動時受洛倫茲力的方向？ 【提示】　負(fù)電荷在磁場中受力的方向與正電荷受力的方向相反，利用左手定則時四指應(yīng)指向負(fù)電荷運(yùn)動的反方向. 電子的發(fā)現(xiàn) 1.基本知識 (1)電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)陰極射線在磁場中偏轉(zhuǎn)，并且通過分析證實(shí)了陰極射線的實(shí)質(zhì)是高速運(yùn)動的電子流． 電子的發(fā)展與X射線和物質(zhì)放射性的發(fā)現(xiàn)一起被稱為19世紀(jì)、20世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)． (2)極光的解釋：在地球的兩極，有一種自然奇觀——極光，出現(xiàn)在南半球的稱為南極光，出現(xiàn)在北半球的稱為北極光． 地球是個巨大的磁體，當(dāng)宇宙射線掠過地球附近時，帶電粒子受到地磁場的作用朝地球的磁極方向運(yùn)動．這些粒子在運(yùn)動過程中撞擊大氣，激發(fā)氣體原子產(chǎn)生光輻射，這就是極光． 2．思考判斷 (1)電子的發(fā)現(xiàn)促使人們?nèi)ヌ剿髟觾?nèi)部的奧秘．(√) (2)地磁場對地球上的生命起著十分重要的保護(hù)作用．(√) 洛倫茲力與安培力的區(qū)別與聯(lián)系 【問題導(dǎo)思】　 1．洛倫茲力與安培力是什么關(guān)系？ 【提示】　安培力是洛侖茲力的宏觀表現(xiàn)． 2．洛倫茲力能對運(yùn)動電荷做功嗎？ 【提示】　不能． 1．洛倫茲力是單個運(yùn)動電荷在磁場中受到的力，而安培力是導(dǎo)體中所有定向移動的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)． 2．洛倫茲力與安培力的共同點(diǎn) (1)安培力：當(dāng)I∥B時，F(xiàn)＝0；洛倫茲力：當(dāng)v∥B時，F(xiàn)＝0. (2)安培力：當(dāng)I⊥B時，F(xiàn)＝BIl，洛倫茲力：當(dāng)v⊥B時，F(xiàn)＝qvB. (3)洛倫茲力與安培力的方向都是根據(jù)左手定則來判斷． 3．安培力和洛倫茲力的不同點(diǎn)：安培力推動導(dǎo)體運(yùn)動時，對導(dǎo)體做功；洛倫茲力的方向與運(yùn)動電荷的速度方向垂直，對運(yùn)動電荷永遠(yuǎn)不做功． 　在圖321所示的各圖中，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B，帶電粒子的速率均為v，帶電荷量均為q.試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小，并指出洛倫茲力的方向． 圖321 【審題指導(dǎo)】　應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力方向，根據(jù)公式F＝Bqv⊥求洛倫茲力的大?。? 【解析】　(1)因v⊥B，所以F＝qvB，方向與v垂直向左上方． (2)由于v與B平行，所以不受洛倫茲力． (3)v與B垂直，F(xiàn)＝qvB，方向與v垂直斜向上． 【答案】　(1)qvB　垂直v斜向左上方　(2)不受洛倫茲力　(3)qvB　垂直v斜向上 1．用左手定則判斷洛倫茲力方向時，要特別注意運(yùn)動電荷的正負(fù)，四指應(yīng)指向正電荷運(yùn)動的方向，或指向負(fù)電荷運(yùn)動的反方向． 2．計(jì)算洛倫茲力的大小時，應(yīng)注意弄清v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向關(guān)系．當(dāng)v⊥B時，洛倫茲力F＝qvB；當(dāng)v∥B時，F(xiàn)＝0. 1.初速度為v0的電子，沿平行于通電長直導(dǎo)線的方向射出，直導(dǎo)線中電流方向與電子的初始運(yùn)動方向如圖322所示，則(　　) A．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率不變 B．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率改變 C．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率不變 D．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率改變 圖322 【解析】　電子在通電長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場中運(yùn)動，由安培定則判定直導(dǎo)線右側(cè)區(qū)域內(nèi)的磁場方向是垂直紙面向里的，再由左手定則判定電子所受洛倫茲力方向向右，所以電子向右偏轉(zhuǎn)，但洛倫茲力的方向始終與速度方向垂直，洛倫茲力始終對電子不做功，電子的動能保持不變，速率不變，故選A. 【答案】　A 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動 【問題導(dǎo)思】　 1．帶電粒子沿著與磁場平行的方向進(jìn)入磁場時，將做什么運(yùn)動？ 【提示】　勻速直線運(yùn)動． 2．帶電粒子沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁場時，運(yùn)動情況如何？ 【提示】　勻速圓周運(yùn)動． 1．帶電粒子進(jìn)入磁場的速度與磁場平行時，不受洛倫茲力的作用，粒子做勻速直線運(yùn)動． 2．帶電粒子進(jìn)入磁場的速度與磁場垂直時，洛倫茲力提供向心力，粒子做勻速圓周運(yùn)動，如圖323所示，由牛頓第二定律得qvB＝. 圖323 粒子做勻速圓周運(yùn)動的半徑R＝， 粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期T＝＝. 　在勻強(qiáng)磁場中，一個帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動，如果又順利垂直進(jìn)入另一磁感應(yīng)強(qiáng)度是原來磁感應(yīng)強(qiáng)度2倍的勻強(qiáng)磁場，則(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：31870023】 A．粒子的速度加倍，周期減半 B．粒子的速度大小不變，軌道半徑減半 C．粒子的速度減半，軌道半徑變?yōu)樵瓉淼?/4 D．粒子的速度大小不變，周期減半 【審題指導(dǎo)】　 ?T＝，根據(jù)公式進(jìn)行判斷． 【解析】　帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動， 洛倫茲力提供向心力qvB＝， 得r＝① T＝＝② 由①②可判斷B、D選項(xiàng)正確． 【答案】　BD 帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期T與速度v無關(guān)． 2．一帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻強(qiáng)磁場，粒子的一段徑跡如圖324所示，徑跡上每一小段都可以看成圓弧，由于帶電粒子使沿途空氣電離，粒子的能量逐漸減小(電荷量不變)則可判定(　　) A．粒子從a到b，帶正電 B．粒子從b到a，帶正電 C．粒子從a到b，帶負(fù)電 D．粒子從b到a，帶負(fù)電 圖324 【解析】　由于粒子的能量逐漸減小，由公式R＝得，粒子的半徑應(yīng)逐漸減小，所以粒子的運(yùn)動方向?yàn)閺腷到a，根據(jù)左手定則可判定粒子帶正電，故B正確． 【答案】　B 【備課資源】(教師用書獨(dú)具) 極光現(xiàn)象 太陽的外層大氣稱為日冕，日冕具有百萬度以上的高溫，在這樣的高溫下，氣體處于高度的電離狀態(tài)，成為等離子體．日冕的一部分氣體克服太陽的引力向太空膨脹，形成等離子體穩(wěn)定地向外輻射，這就是太陽風(fēng)．太陽風(fēng)把地磁場壓縮成為一個很有限的區(qū)域，形成地球磁層，地球磁層起著保護(hù)地球的作用，它能使宇宙中那些高速沖向地球的帶電粒子偏轉(zhuǎn)方向．一些闖入地球磁層的太陽風(fēng)粒子在地磁場的作用下向兩個地磁極運(yùn)動，與那里高層大氣作用時，引起氣體輝光放電．美麗的極光就是圍繞著地球南北兩極的一種大規(guī)模氣體放電過程的表現(xiàn)形式. 地球像一個巨大的磁鐵，也有兩個磁極．地磁極與地理極并不重合，它們之間夾一個約為11.5的角．極光集中在地磁極周圍．來自太陽風(fēng)的帶電微粒流，有一部分沿著漏斗狀的地球極區(qū)磁感線進(jìn)入高層大氣，與那里的稀薄氣體發(fā)生碰撞，使大氣中的原子和分子電離，這些受到電離的氣體吸收了部分能量后被激發(fā)到高能態(tài)，隨后又立即將這額外的能量以輻射光子的形式釋放，并回到原來的狀態(tài)．在這種過程中擾動的氣體發(fā)出了明亮的光線——極光. 如果將一只玻璃管內(nèi)的空氣基本上抽空，然后使電流在這些稀薄氣體中通過，管內(nèi)部氣體導(dǎo)電，發(fā)出美麗的輝光，這就是放電管．在地球高空所看到的極光與放電管相同，都是帶電粒子通過稀薄氣體發(fā)生輝光放電形成的. 1．下列說法正確的是(　　) A．運(yùn)動電荷不受洛倫茲力的地方一定沒有磁場 B．運(yùn)動電荷受的洛倫茲力方向既與其運(yùn)動的方向垂直，又與磁感線方向垂直 C．帶電荷量為q的電荷，在磁場中運(yùn)動速度大小不變，則所受洛倫茲力一定不變 D．洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功 【解析】　洛倫茲力的大小不但與速度大小有關(guān)，還與速度方向有關(guān)，如當(dāng)v∥B時F＝0，而v⊥B時F＝qvB.洛倫茲力的方向總與速度方向垂直，對運(yùn)動電荷不做功．同時又總與磁感線方向垂直，故B、D正確．A、C錯誤． 【答案】　BD 2．在下列選項(xiàng)所示的四幅圖中，正確標(biāo)明了在磁場中帶正電的粒子所受洛倫茲力f方向的是(　　) 【解析】　由左手定則可知，洛倫茲力的方向一定與速度和磁場垂直，故C、D均錯誤；考慮到帶電粒子帶正電，可確定選項(xiàng)A正確． 【答案】　A 3．洛倫茲力使帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，下列各圖中均標(biāo)有帶正電荷粒子的運(yùn)動速度v，洛倫茲力F及磁場B的方向，虛線圓表示粒子的軌跡，其中可能出現(xiàn)的情況是(　　) 【解析】　根據(jù)速度方向的定義和左手定則，以及洛倫茲力使帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，即洛倫茲力提供向心力，所以其中可能出現(xiàn)的情況只有A. 【答案】　A 4．帶電荷量為＋q的粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動，下列說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：31870024】 A．只要速度大小相同，所受洛倫茲力就相同 B．如果把＋q改為－q，且速度反向、大小不變，則受洛倫茲力的大小、方向均不變 C．洛倫茲力方向一定與電荷速度方向垂直，磁場方向一定與電荷運(yùn)動方向垂直 D．粒子在只受到洛倫茲力作用下運(yùn)動的動能不變 【解析】　洛倫茲力的大小不但與粒子速度大小有關(guān)，而且與粒子速度的方向有關(guān)，如當(dāng)粒子速度與磁場垂直時，F(xiàn)＝qvB；當(dāng)粒子速度與磁場平行時，F(xiàn)＝0.由于洛倫茲力的方向永遠(yuǎn)與粒子的速度方向垂直，因而速度方向不同時，洛倫茲力的方向也不同，所以A選項(xiàng)錯誤．將＋q改為－q且速度反向時所形成的電流方向與原＋q運(yùn)動形成的電流方向相同，由左手定則可知洛倫茲力方向不變，再由F＝qvBsin θ知大小不變，所以B選項(xiàng)正確．電荷進(jìn)入磁場時的速度可以與磁場方向成任意夾角，所以C選項(xiàng)錯誤．洛倫茲力總與速度方向垂直，因此，洛倫茲力不做功，粒子動能不變，故D選項(xiàng)正確． 【答案】　BD 學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)測評(九) (建議用時：45分鐘) 1．在長直導(dǎo)線AB附近，有一帶正電的小球由絕緣線懸掛在M點(diǎn)，如圖325所示，當(dāng)導(dǎo)線中有恒定電流通過時，下列說法中正確的是(　　) 圖325 A．小球受到垂直紙面向里的磁場力 B．小球受到垂直紙面向外的磁場力 C．小球受到垂直于AB向右的磁場力 D．小球不受磁場力的作用 【解析】　因?yàn)閹щ娦∏蜢o止，所以不受磁場力的作用． 【答案】　D 2．一個長螺線管中通有電流，把一個帶電粒子沿中軸線方向射入(若不計(jì)重力影響)，粒子將在管中(　　) A．做圓周運(yùn)動 B．沿軸線來回運(yùn)動 C．做勻加速直線運(yùn)動 D．做勻速直線運(yùn)動 【解析】　由安培定則可知，長螺線管中軸線上的磁場方向與中軸線平行，故粒子沿中軸線方向射入，則粒子不受洛倫茲力作用，故粒子將在管中做勻速直線運(yùn)動，D項(xiàng)正確． 【答案】　D 3．有關(guān)洛倫茲力和安培力的描述，正確的是(　　) A．通電直導(dǎo)線處于勻強(qiáng)磁場中一定受到安培力的作用 B．安培力是大量運(yùn)動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) C．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動受到的洛倫茲力做正功 D．通電直導(dǎo)線在磁場中受到的安培力方向與磁場方向平行 【解析】　通電直導(dǎo)線與磁場平行時，不受安培力，選項(xiàng)A錯誤．安培力方向與磁場垂直，選項(xiàng)D錯誤．洛倫茲力對帶電粒子不做功，選項(xiàng)C錯誤．安培力是大量運(yùn)動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，選項(xiàng)B正確． 【答案】　B 4．如圖326所示，帶正電的不計(jì)重力的粒子，沿水平向右的方向垂直進(jìn)入磁場，關(guān)于其運(yùn)動情況，下列說法中正確的是(　　) 圖326 A．如圖中軌跡1所示 B．如圖中軌跡2所示 C．如圖中軌跡3所示 D．垂直紙面向里運(yùn)動 【解析】　由左手定則可知，選項(xiàng)A正確． 【答案】　A 5．電子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：31870025】 A．速率越大，周期越大 B．速率越小，周期越大 C．速度方向與磁場方向平行 D．速度方向與磁場方向垂直 【解析】　由T＝可知，選項(xiàng)A、B錯誤．做勻速圓周運(yùn)動時，速度方向與磁場方向垂直，選項(xiàng)D正確． 【答案】　D 6．如圖327所示，a、b是位于真空中的平行金屬板，a板帶正電，b板帶負(fù)電，板間場強(qiáng)為E.兩板間的空間中加勻強(qiáng)磁場，方向垂直紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一束電子以大小為v0的速度沿圖中虛線方向射入，虛線平行于a、b板，要想電子沿虛線運(yùn)動，則vo、E、B之間的關(guān)系應(yīng)滿足(　　) 圖327 A．v0＝E/B　　　　　 B．v0＝B/E C．v0＝E/Be D．v0＝Be/E 【解析】　要想使電子沿虛線運(yùn)動，要求電子受到的電場力等于磁場力，即Eq＝Bqv0，v0＝E/B. 【答案】　A 7．在學(xué)校操場的上空中停著一個熱氣球，從它底部脫落一個塑料小部件，下落過程中由于和空氣的摩擦而帶負(fù)電，如果沒有風(fēng)，那么它的著地點(diǎn)會落在氣球正下方地面位置的(　　) A．偏東 B．偏西 C．偏南 D．偏北 【解析】　地磁場在水平方向上的分量方向是水平向北，小部件帶負(fù)電，根據(jù)左手定則可得氣球受到向西的洛倫茲力，故向西偏轉(zhuǎn)，B正確． 【答案】　B 8．宇宙射線中存在高能帶電粒子，假如大氣層被破壞，這些粒子就會到達(dá)地球，從而給地球上的生命帶來危害，根據(jù)地磁場的分布特點(diǎn)，判斷下列說法中正確的是(　　) A．地磁場對直射地球的宇宙射線的阻擋作用在南北兩極最強(qiáng)，赤道附近最弱 B．地磁場對直射地球的宇宙射線的阻擋作用在赤道附近最強(qiáng)，兩極最弱 C．地磁場對宇宙射線的阻擋作用在地球周圍各處相同 D．地磁場對宇宙射線無阻擋作用 【解析】　當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動方向與磁感線的方向在一條直線上時，磁場對它沒有作用力，當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動方向與磁感線的方向垂直時，磁場對它的作用力最大，根據(jù)地磁場的方向和宇宙射線的入射方向不難判定，選項(xiàng)B正確． 【答案】　B 9．在勻強(qiáng)磁場B中一帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動半周后又順利進(jìn)入另一磁感應(yīng)強(qiáng)度是2B的勻強(qiáng)磁場中，B的方向如圖328所示，下列說法正確的是(　　) 圖328 A．粒子速率加倍，周期減半 B．粒子的半徑加倍，周期加倍 C．粒子的半徑減半，周期減半 D．粒子在B中仍沿逆時針方向運(yùn)動 【解析】　因洛倫茲力對帶電粒子不做功，所以帶電粒子進(jìn)入另一磁場時速率不變，又因帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動，洛倫茲力提供向心力，有qvB＝m，得r＝，且T＝＝由此兩式可判斷C正確，A錯，B錯．根據(jù)左手定則可判斷D錯． 【答案】　C 10．在只受洛倫茲力的條件下，關(guān)于帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動，下列說法正確的有(　　) A．只要粒子的速度大小相同，帶電量相同，粒子所受洛倫茲力大小就相同 B．洛倫茲力只改變帶電粒子的運(yùn)動軌跡 C．洛倫茲力始終與速度垂直，所以洛倫茲力不做功 D．洛倫茲力始終與速度垂直，所以粒子在運(yùn)動過程中的動能、速度保持不變 【解析】　洛倫茲力的大小與電荷進(jìn)入磁場的速度方向有關(guān)系，但洛倫茲力永遠(yuǎn)垂直速度方向，不做功．不改變速度大小，但可以改變速度的方向． 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中所受的洛倫茲力的大小不但與速度的大小有關(guān)，而且與速度的方向有關(guān)，當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向垂直時，粒子所受的洛倫茲力最大；當(dāng)粒子的速度方向與磁場方向平行時，帶電粒子不受洛倫茲力的作用．速度大小相同的粒子，沿不同方向進(jìn)入磁場時所受的洛倫茲力的大小不同，所以選項(xiàng)A不正確．由于洛倫茲力的方向始終與速度方向垂直，所以洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，動能保持不變，洛倫茲力不做功；但在洛倫茲力的作用下，粒子的運(yùn)動方向要發(fā)生變化，速度就要發(fā)生變化，所以本題的正確選項(xiàng)應(yīng)為B、C. 【答案】　BC 11．如圖329所示，某空間勻強(qiáng)電場豎直向下，勻強(qiáng)磁場垂直紙面向里，一金屬桿AB在正交的電場和磁場中從高h(yuǎn)處自由下落，則________端先著地． 圖329 【解析】　金屬桿AB自由下落，桿中自由電子受向左的洛倫茲力而聚集于A端，B端帶上等量正電荷．A端受向上的電場力，B端受向下的電場力，因此，B端先著地． 【答案】　B 12．如圖3210所示，一個質(zhì)量為m、帶電荷量為＋q的小球靜止在光滑的絕緣平面上，并處于勻強(qiáng)磁場中，磁場的方向垂直紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.為了使小球能飄離平面，該勻強(qiáng)磁場在紙面移動的最小速度應(yīng)為多少？方向如何？ 圖3210 【解析】　磁場運(yùn)動相當(dāng)于帶電小球反向運(yùn)動．只有洛倫茲力向上且qvB＝mg時v最小，則v＝.據(jù)安培定則，知球相對磁場水平向右運(yùn)動，則磁場應(yīng)水平向左運(yùn)動． 【答案】　　水平向左